柴北緣鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造天然氣成因分析

岳禎奇　吳萌萌　陸申童

摘要：為了解決柴達木盆地北緣鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造的天然氣成因問題。本文從天然氣地球化學(xué)的角度，結(jié)合溶解度計算對柴北緣鄂博梁Ⅲ號是否具有水溶氣進行了研究。筆者認(rèn)為，柴北緣鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造的深層含有游離的天然氣，深層水和天然氣在沿斷裂向上運移的過程中，由于溫壓降低，存在明顯的天然氣脫溶，且脫溶的天然氣量可占到氣藏的65%，造成了天然氣干燥系數(shù)隨深度減小而逐漸增高。也正因此，深部儲集層成為下一步勘探的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：柴北緣；鄂博梁Ⅲ號；水溶氣；形成條件；地球化學(xué)特征；甲烷溶解度回歸方程

Natural gas genetic analysis in Erboliang III Structure in North Margin of Qaidam Basin

YUE Zhen-qi WU Meng-meng LU Shen-tong

1. State Key Laboratory of Continental Dynamics ， Department of Geology， Northwest University ，Xian 710069， China

Abstract： In order to solve the problem of causes of natural gas in the northern margin of the Eboliang III structure in the Qaidam Basin. This article from the perspective of natural gas geochemistry， combined with the solubility calculation， make a conclusion whether the northern margin of the Qaidam Basin Eboliang III contains the water-soluble gas. Studies suggest that the Eboliang III s deep formation has free gas. Deep water and natural gas migrated upward along fracture. With the decrease of temperature and pressure， it is obvious that water-soluble gas is dissolved into free natural gas， and the amount of natural gas exsolution of gas reservoirs may account for 65% ， which makes gas dry coefficient increased gradually with the decrease of depth. Therefore， the deep reservoir has become the target of next exploration.

Key words： North Margin of Qaidam Basin； Eboliang III； water-soluble gas；

formation conditions； geochemical characteristics； methane solubility regression equation

水溶氣是指溶解在水中的天然氣。它是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，全世界水溶氣的資源豐富，總量達33837×1012m3，比常規(guī)天然氣資源量高兩個數(shù)量級[1-2]。

柴達木盆地北緣（以下簡稱柴北緣）西段鄂博梁地區(qū)發(fā)現(xiàn)了重要油氣地質(zhì)儲量，因受到區(qū)域地質(zhì)背景的影響，鄂博梁地區(qū)的勘探效果不佳。近年來，在鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造東西兩高點鉆探了ES1、ES2和E7三口探井，為該區(qū)天然氣成因及成藏等地質(zhì)研究提供了直接的鉆井和測井資料。在鄂博梁Ⅲ號地區(qū)，前人研究主要聚焦于天然氣藏的形成條件如構(gòu)造、儲層物性、流體信息、超壓機制、沉積環(huán)境等。本論文著重于對天然氣地球化學(xué)的分析研究，從天然氣地化角度出發(fā)，提出了鄂博梁Ⅲ號具備水溶氣運移成藏特點的觀點。通過天然氣溶解度計算，剖析了水溶氣對該地區(qū)構(gòu)造天然氣成藏的貢獻，并分析了水溶氣運移成藏條件以及成藏過程。

1. 鄂博梁Ⅲ號水溶氣成藏有利條件

對于鄂博梁Ⅲ號成藏，前人作了大量的研究工作，認(rèn)為該區(qū)天然氣具備優(yōu)質(zhì)的氣源巖、超壓條件、優(yōu)質(zhì)的儲蓋層和斷裂系統(tǒng)。本文從水溶氣的角度，論述滿足該氣田水溶氣成藏的地質(zhì)條件。

1.1 氣源巖較好

該地區(qū)能夠使水溶氣聚集的物質(zhì)條件是因為有著充沛的氣源。下侏羅統(tǒng)烴源巖是本區(qū)的烴源巖，其干酪根類型主要為Ⅲ型，Ro值平均高達2%，氯仿瀝青A的平均值為0.08%。結(jié)合這幾組數(shù)據(jù)得出它是一套較好的烴源巖層[3]。

1.2 超壓

超壓既能促進天然氣溶解于水，又可以為水溶氣向上運移提供動力[4]。ES1井出現(xiàn)10次溢流現(xiàn)象，壓力系數(shù)為1.6～1.8。ES1井實測靜壓結(jié)果為78.0384MPa/3954.45m，壓力系數(shù)高達2.013[5]。鉆井液密度、實測壓力以及測井的聲波時差資料均表明該區(qū)存在異常高壓。

1.3 斷裂系統(tǒng)運移通道

斷裂系統(tǒng)為溶解了天然氣的水體向上部運移提供通道。柴北緣受到強烈的構(gòu)造活動的影響，該區(qū)發(fā)育以上干柴溝組為界的深、淺兩套斷裂系統(tǒng)。鄂博梁Ⅲ構(gòu)造為受深部斷裂控制的大型擠壓背斜，位于南北兩側(cè)的鄂北、鄂南兩條斷層傾角陡、斷面平直、切穿烴源巖和古近—新近系儲層。背斜軸部發(fā)育淺層滑脫斷層[6-7]。

1.4 良好的儲蓋條件

擁有良好的儲蓋條件能夠?qū)μ烊粴獾膬Υ娣馍w起到積極的作用，使其能夠從深部運移出來。古近—新近系儲層巖性以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，平均孔隙度12%，平均滲透率4.0mD，儲層的物性較好。干柴溝組—油砂山組均發(fā)育擴張湖相泥巖，具備良好的封蓋及保存條件。

2. 天然氣地化特征

2.1 天然氣成因類型

鄂博梁Ⅲ號的構(gòu)造位于伊北凹陷下侏羅統(tǒng)的烴源巖上部，天然氣甲烷碳同位素含量約為-13.2‰～-22.1‰，根據(jù)根據(jù)天然氣成因的判識標(biāo)準(zhǔn)[8]，研究區(qū)樣品并沒有落入常規(guī)天然氣范圍（圖2-1）。這可能有兩種情況，一種是異常高成熟的煤型氣，另一種是受到無機天然氣的混入。

圖2-1 不同有機質(zhì)成因烷烴氣鑒別

2.2 天然氣組分變化

天然氣各組分在水中的溶解能力會受到不同因素的影響，在相同溫度、壓力、礦化度的條件下溶解能力由強到弱為：CO2>N2>CH4>C2H6>C3H8。當(dāng)水溶氣從深部通過斷層向淺層運移的過程中，隨著溫度、壓力的降低，水溶氣會從水中脫溶成游離氣。溶解度較大的組分往往會保存到最后脫溶，進而使得其相對含量增大[9]。

由于天然氣各組分溶解度不同，天然氣溶解于水經(jīng)過運移后地化參數(shù)會發(fā)生變化。這就為水溶氣的判別提供了依據(jù)。前人研究表明，在運移路徑上干燥系數(shù)、CO2含量、N2含量、iC4/nC4、iC5/nC5均呈增大的趨勢。本次研究采用C1/C1+、CO2/CH4作為示蹤指標(biāo)（表2-1）。

圖2-2 鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造天然氣C1/C1+與深度的關(guān)系圖

由圖2-2-（a）可知，C1/C1+具有隨深度減小而逐漸增大的趨勢，這說明在流體向上運移的過程中，可能伴隨著天然氣的出溶。圖2-2-（b）中，CO2/ CH4在深層（>2500m）隨深度減小逐漸增大。而在淺層該比值陡降至0。該區(qū)儲層富含碳酸鹽膠結(jié)物，其沉淀必然會造成流體中CO2含量的降低。因此，該指標(biāo)在本區(qū)不是有效指標(biāo)。

3. 天然氣溶解度計算

本章通過天然氣溶解度定量計算，并與實際氣水比進行比較，驗證水溶氣的可能性。鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造天然氣的主要成分是甲烷，大約平均占86%～92%。因此本研究對不同地質(zhì)條件下甲烷的溶解度進行了計算[10]。

3.1 甲烷氣溶解度回歸方程

溫度、壓力和地層水礦化度是天然氣的溶解度的主要影響因素。范泓澈等人利用不同天然氣樣品及與鄂博梁Ⅲ號地層水特征相似的地層水。通過對不同條件下碳酸氫鈉水溶液中天然氣溶解度的測定，研究得出得甲烷溶解度的回歸方程式[11]。本次研究利用該回歸方程：

當(dāng)T<90℃時（R2=0.999）：

S（p，T，M）=3.94266+0.11199p-0.00049p2-0.0873T+5.59368×10-4T2-8.18224×10-7pM+7.66273×10-9p2M （1）

當(dāng)T≥90℃時（R2=0.9978）：

S（p，T，M）=0.33131+0.09392p-0.00037p2+0.00903T-3.39715*10-5M+3.97436×10-9p2M+1.83068×10-7TM-2.84625×10-9TpM （2）

式中：S為溶解度，m3/m3，代表1m3水可溶解的天然氣量；p為壓力，MPa；t為溫度，℃；M為礦化度，mg/L。

3.2 計算結(jié)果與結(jié)論

（1）鄂博梁Ⅲ號深部構(gòu)造內(nèi)熱流體深度的溶解度

鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造的儲層內(nèi)發(fā)現(xiàn)了流體包裹體：其中有相當(dāng)多的流體包裹體的均一溫度超過了地層經(jīng)歷的最大埋藏溫度，推測其間受到熱液流體的影響。通過激光拉曼的分析測試，可以得出均一溫度最高的流體包裹體中含有甲烷。因此天然氣的充注可能與熱流體有關(guān)[12]。流體包裹體的最高均一溫度（168.4℃～175℃），結(jié)合地溫梯度2.2℃/100m[13]，計算大致熱流體的來源深度為7336m～7636m。根據(jù)單井過剩壓的最大壓力系數(shù)作為上限，推測流體源所在地層的壓力系數(shù)范圍（1.3～2.0），對應(yīng)的壓力則為95.67Mpa～152.72Mpa。

礦化度取射孔后均值28000mg/L。根據(jù)富甲烷天然氣溶解度計算公式，可計算出流體源天然氣的溶解度為7.14m3/m3～8.02m3/m3。

（2）鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造儲層中地層水的溶解度

已知不同層位溫度、壓力、礦化度，根據(jù)富甲烷天然氣溶解度計算公式，計算ES1，ES2這兩口井6個層位儲層中的天然氣溶解度（見表3-1）。

（3）地面條件下地層水的溶解度

通過觀察鉆探時鄂博梁Ⅲ號地表溫度、大氣壓，根據(jù)富甲烷天然氣溶解度公式計算開采到地面時的溶解度。青海11月地表溫度取7℃；海拔3000m，大氣壓取為0.7Mpa；礦化度取15000～40000，可計算出地面條件下地層水中天然氣的溶解度為3.42m3/m3。

（4）實際含氣量

表3-2是兩口井的日產(chǎn)氣、產(chǎn)水量。微量氣取值為50（m3/d）。計算結(jié)果表明除ES1井Ⅲ層位中地層水的含氣量較高（120.4m3/m3）外，大部分位于2.84～6.64m3/m3。

（5）比較與結(jié)論

通過對比分析三個關(guān)鍵深度天然氣的溶解度，分析結(jié)果表明：流體源天然氣溶解度最高，其值為7.14～8.02m3/m3；儲層深度時，天然氣溶解度隨壓力及溫度等的變化而降低至3.51～5.49m3/m3；到達地面后，天然氣溶解度進一步降低至3.42m3/m3。

天然氣在地層水的賦存狀態(tài)取決于天然氣的含量和地層水溶解度的大小關(guān)系。如果含有的氣量大于溶解度，則天然氣除了以水溶氣的狀態(tài)（地層水飽和）存在外，還有相當(dāng)部分以游離氣的形態(tài)存在。通過對比實際情況含量和儲層條件、流體源條件下地層水的溶解度，發(fā)現(xiàn)許多層位的實際含氣量不但大于儲層條件下的溶解度，而且大于流體源條件的溶解度。這表明，在流體源處就已經(jīng)存在游離的天然氣。但從深層運移上來的游離態(tài)的天然氣的量并不多。因為，運移過程中因溫度、壓力降低而導(dǎo)致出溶的天然氣的量可達3.72～4.60m3/m3，占到了總產(chǎn)氣量的3%～65%（主要集中在38%～65%）（表3-3）。

4. 天然氣移聚集過程與結(jié)論

伊北坳陷深部侏羅系高過熟烴源巖產(chǎn)生大量天然氣，在異常高壓作用下先溶于水，并在水中擴散，最終達到飽和；隨著排出的烴越來越多，當(dāng)天然氣量超過溶解度時，天然氣脫溶成為游離氣。由于埋藏太深，上覆泥巖封蓋較好，天然氣散失的可能性較小，可能在一些深層圈閉中成藏了。深部受傾向相對的鄂北、鄂南兩條斷層控制，溝通了淺部和深部的地層，有利于天然氣的向上運移。這些在深層游離的天然氣很可能和地層水一起沿著斷層向上運移至現(xiàn)今的儲層。隨著溫度、壓力的降低，水溶氣脫溶和原來的游離氣在新近系儲層中重新成藏，構(gòu)成了“下生上儲”的成藏模式。

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

（1）該區(qū)具備了天然氣成藏的條件

（2）天然氣在深層溶解度為7.14m3/m3～8.02m3/m3，至儲集層降至3.51m3/m3～5.49 m3/m3，采出至地面時約為3.42m3/m3。深層天然氣到達地面脫溶量約為3.72m3/m3～4.60m3/m3，對氣藏的貢獻率高達65%。

（3）由于天然氣脫溶量的比例較大，造成了天然氣干燥系數(shù)隨深度逐漸增高。

（4）深層存在游離天然氣，且該區(qū)蓋層發(fā)育，巨量天然氣可能被封蓋在深層。對于深部儲集層的研究是以后勘探的目標(biāo)。

參考文獻：

[1] 周文，陳文玲，鄧虎成.世界水溶氣資源分布、現(xiàn)狀及問題[J]礦物巖石，2011，31（2）：73-78.

[2] 李賢慶，侯讀杰，胡國藝.鄂爾多斯中部氣田下古生界水溶氣成因[J]石油與天然氣地質(zhì)，2002，23（3）：212-217.

[3] 姜正龍，孫德君，秦建.柴達木盆地北緣下侏羅統(tǒng)含油氣系統(tǒng)研究[J]石油勘探與開發(fā)，2001，6（9）：9-11.

[4] 秦勝飛，李梅，胡劍峰.和田河氣田水溶氣成藏特點對克拉2氣田的啟示，天然氣地球科學(xué)[J]2007，18（1）：46-49.

[5] 范昌育，王震亮，王愛國.柴達木盆地北緣鄂博梁構(gòu)造帶超壓形成機制與高壓氣、水層成因[J]石油學(xué)報，2015，36（6）：699-706.

[6] 陳迎賓，胡燁，王彥青.柴達木盆地鄂博梁Ⅲ號構(gòu)造深層天然氣成藏條件[J]油氣地質(zhì)與采收率，2015，22（5）：34-39.

[7] 孫平，汪立群，郭澤清.柴北緣鄂博梁構(gòu)造帶油氣成藏條件及勘探部署[J]中國石油勘探，2014，19（4）：18-25.

[8] 戴金星. 各類天然氣的成因鑒別[J]中國海上油氣，1992，6（1）：11-19.

[9] 王青，張枝煥.由構(gòu)造抬升引起的水溶氣脫溶成藏問題[J]新疆石油地質(zhì)，2005，26（3）：318-321.

[10] 楊映濤，李琪，張世華.水溶氣脫溶的關(guān)鍵時期研究——以成都凹陷沙溪廟組為例[J]巖性油氣藏，2015，27（3）：56-62.

[11] 范泓澈，黃志龍，袁劍.富甲烷天然氣溶解實驗及水溶氣析離成藏特征[J]吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2011，41（4） ：1033-1039.

[12] 王震亮等. 鄂博梁構(gòu)造帶油氣成藏動力學(xué)及運聚規(guī)律研究報告 [R].敦煌：中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院，2013.

[13] 曾春林.柴北緣西段侏羅系構(gòu)造演化及其對油氣成藏的控制[D]徐州：中國礦業(yè)大學(xué).

[14] 馮巖， 楊才， 林海濤，等. 凍土區(qū)天然氣水合物研究現(xiàn)狀與內(nèi)蒙古多年凍土區(qū)地質(zhì)條件概述[J]. 西部資源， 2015（5）：117-120.

[15] 李有民， 陳宏斌. 東勝鈾礦床直羅組天然氣顯示與鈾礦化關(guān)系初探[J]. 西部資源， 2016（5）.